一种外表面附有分段约束阻尼层的无人机旋翼臂结构的制作方法

本发明涉及机械领域，具体是一种减震结构，更具体说是一种多旋翼无人机的旋翼臂振动控制结构。

背景技术：

目前，无人机在高空拍摄、物流、农间作业等方面得到了广泛应用。尤其是近几年迅速发展的油动式多旋翼无人机，因其承载能力的不断提升，使其应用得到了进一步推广，但大承载重量加剧了整机结构的振动问题，不仅影响无人机飞行稳定性，也极易造成无人机整机结构的破坏。

近年来，大量相关研究表明无人机的结构振动主要来源于旋翼臂的共振，且该振动形式以弯曲模态为主。传统的抑振方式通常包括主动式和被动式控制。被动式吸振器虽能在固有频率处能够产生显著效果，但在无人机上额外附加具有相对较大质量的吸振器将严重影响其续航能力、承重能力以及飞行稳定性等；以压电陶瓷为代表的主动式抑振方法具有较大的灵活性，对振动的低频段具有良好的振动抑制效果，但是其控制系统需提供额外的能源供给装置，不仅增加了整机结构的经济成本，且降低了系统的鲁棒性，故其在无人机旋翼臂的振动抑制的应用中具有较大的局限性。

因此，人们期望获得一种结构简单紧凑、不影响无人机主体结构、且经济可行，抑振效果显著的被动式抑制振动的方法。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明针对无人机旋翼臂提供了一种通过在旋翼臂外表面附加分段约束阻尼层的振动抑制方法。该方法的原理利用旋翼臂的弹性弯曲振动使粘弹性阻尼层发生形变，而粘弹性阻尼层在变形过程将部分应变能转化为热能，从而使无人机旋翼臂的振动能量迅速耗散进行减振。同时，本发明通过采用分段式约束阻尼层的布置方法，增大了粘弹性阻尼层的剪切变形，从而提高了无人机旋翼臂的阻尼特性，抑振效果十分显著。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种外表面附有分段约束阻尼层的无人机旋翼臂结构，旋翼臂为空心圆柱结构，其材料采用碳纤维；粘弹性阻尼层为分段空心圆柱壳结构，其内径与旋翼臂外径相同，外径与约束阻尼层内径相同；约束阻尼层为分段空心圆柱壳结构，其内径与粘弹性阻尼层外径相同；旋翼臂外表面、粘弹性阻尼层与约束阻尼层三者由内向外依次紧密粘结；所述粘弹性阻尼层与约束阻尼层均为分段设置，粘弹性阻尼层间设置切口，约束阻尼层间也设置切口。

粘弹性阻尼层材料采用zn-1阻尼橡胶。

约束阻尼层材料采用铝合金。

每段粘弹性阻尼层与约束阻尼层长度相等，相邻两段粘弹性阻尼层与约束阻尼层留有每段约束阻尼层长度5-8％的切口。

粘弹性阻尼层的厚度增加，变形容易，抑振效果好，但太厚会造成重量增加；约束阻尼层的厚度增加，总量也相对增加，因此，惯性较大，相对的粘弹性阻尼层的剪切力就大，但约束阻尼层太厚，会增加重量对无人机的能耗和性能影响较大；综合考虑，粘弹性阻尼层的厚度为2-5mm，约束阻尼层的厚度为1-3mm。

为了保证在每段粘弹性阻尼层更加容易变形且约束阻尼层的惯性较大，粘弹性阻尼层的长度小于每段约束阻尼层长度。

为尽量增加约束阻尼层的长度且保证粘弹性阻尼层变形时相邻的约束阻尼层不会碰撞，每段约束阻尼层间的距离为每段约束阻尼层长度的1.5-2％。

约束阻尼层的表面设置通气孔。一方面粘弹性阻尼层内部产生剪切变形所产生的热量可以通过通气孔排出，另一方面，通气孔造成了约束阻尼层的上表面不光滑，也加大了振动时约束阻尼层与空气的阻力，有利于提高约束阻尼层的惯性，进而提高了粘弹性阻尼层的变形。

本发明的优点及有益效果在于：

1、本发明通过在无人机旋翼臂附加约束阻尼层的方式，利用粘弹性阻尼层产生的剪切形变耗散振动能量，抑振效果十分显著；

2、本发明结构简单，不影响无人机的主体结构，且不需要额外的附加质量、能源供给装置及控制装置，增加了无人机的稳定性；

3、本发明采用环切状的分段式约束阻尼层，从而减小约束阻尼层对阻尼层变形的限制，使粘弹性阻尼层产生更大的剪切变形，获得更好的抑振效果。

附图说明

图1为本发明具体实施例整体结构布局示意图；

图2为本发明具体实施例的局部结构示意图；

图3为本发明结构与无本发明结构的旋翼臂的振幅与时间关系对比图；

图4为为本发明结构与无本发明结构的旋翼臂的振幅与频率关系对比图；

其中，1-旋翼臂，2-粘弹性阻尼层，3-约束阻尼层，4-发动机固定支座，5-无人机机体连接支座，6-切口，7-通气孔。

具体实施方式

下面，结合附图及具体实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1-2所示，本发明所涉及的无人机旋翼臂采用分段式约束阻尼层，其包括旋翼臂本体、分段式约束阻尼层与粘弹性阻尼层，具体结构如下：

旋翼臂本体1为空心圆柱结构，其材料采用碳纤维；粘弹性阻尼层2为分段空心圆柱壳结构，其内径与旋翼臂1外径相同，外径与约束阻尼层3内径相同，其材料采用zn-1阻尼橡胶；约束阻尼层3为分段空心圆柱壳结构，其内径与粘弹性阻尼层2外径相同，其材料采用铝合金；粘弹性阻尼层、约束阻尼层为自内到外紧密粘合的组合结构，且各段之间留有切口6。将粘弹性阻尼层2粘合在刚度较大的旋翼臂1本体与约束阻尼层3之间，使粘弹性阻尼层与旋翼臂本体1接触的表面所产生的拉延变形不同于其与约束阻尼层3接触表面所产生的拉延变形，从而在粘弹性阻尼层2内部产生剪切变形，达到耗能减振的作用。

本发明所提供的分段式约束阻尼层的工作过程如下：

当无人机旋翼臂1发生振动时，将会在局部产生微小的弹性弯曲变形。此时，由于粘弹性阻尼层2与旋翼臂1接触的表面所产生的拉延变形不同于粘弹性阻尼层2与约束阻尼层3接触表面的拉延变形，因此在阻尼材料内部产生剪切变形，剪切变形引起的应变能转化为热能造成了大量的能量耗散，显著的降低了旋翼臂1的结构振动，热能的耗散通过通气孔7排出，通气孔造成了约束阻尼层的上表面不光滑，也加大了振动时约束阻尼层与空气的阻力，有利于提高约束阻尼层的惯性，进而提高了粘弹性阻尼层2的变形。通气孔可以在某一段的约束阻尼层上设置，尤其是靠近发动机固定支座处的约束阻尼层，因为，该位置远离机身，且力臂较大，相对振幅较大。本实施例的实际应用过程中，以六旋翼油动式无人机中心位置的飞行控制器固定支板为振动测试点，分别对采用表面附有分段式约束阻尼层的无人机旋翼臂与采用普通无人机旋翼臂的无人机进行了瞬态振动测试、正弦激励测试，测试结果如下图3和图4所示，图中表明，表面附有分段式约束阻尼层的无人机旋翼臂结构能够有效的降低整机振动，抑振率可达70％左右。

每段粘弹性阻尼层与约束阻尼层长度相等，相邻两段粘弹性阻尼层与约束阻尼层留有每段约束阻尼层长度5-8％的切口。

粘弹性阻尼层的厚度增加，变形容易，抑振效果好，但太厚会造成重量增加；约束阻尼层的厚度增加，总量也相对增加，因此，惯性较大，相对的粘弹性阻尼层的剪切力就大，但约束阻尼层太厚，会增加重量对无人机的能耗和性能影响较大；综合考虑，粘弹性阻尼层的厚度为2-5mm，约束阻尼层的厚度为1-3mm。

另外一种实施方案是：为了保证在每段粘弹性阻尼层更加容易变形且约束阻尼层的惯性较大，粘弹性阻尼层的长度小于每段约束阻尼层长度。

为尽量增加约束阻尼层的长度且保证粘弹性阻尼层变形时相邻的约束阻尼层不会碰撞，每段约束阻尼层间的距离为每段约束阻尼层长度的1.5-2％。

以上所述，仅为本发明的较佳的实施例，但并非对本发明有任何限制，凡是根据本发明技术是指对上述实施例所做的任何简单修改、变更，均仍属于本发明技术的保护范围内。